材料的熱學(xué)性能課件

1、中國礦業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院第一章 材料的熱學(xué)性能在空間科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用 現(xiàn)代空間科學(xué)技術(shù)往往要求材料在變溫條件，甚至在極端溫度條件下工作。如空間飛行器從發(fā)射、入軌以后的軌道飛行直到再返回地球的過程中，要經(jīng)受氣動加熱的各個階段，都會遇到超高溫和極低溫的問題，必須要有“有效的隔熱與防熱措施”，這有賴于對其熱過程進(jìn)行熱分析和熱設(shè)計(jì)，導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、導(dǎo)溫系數(shù)、熱發(fā)射率、熱膨脹系數(shù)和粘度等則是熱計(jì)算和熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，也是研制、評價和優(yōu)選所用隔熱和防熱材料的主要技術(shù)依據(jù)。 在能源科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用i) 保溫材料的優(yōu)選和保溫材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。ii) 遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)，以獲得最佳的能量利用率。iii)

2、太陽能的利用：要求盡可能多地吸收太陽輻射， 并且要最大限度地抑制集熱器本身的熱損。 在電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用i) 在超大規(guī)模集成電路（容量和密集度迅速增大）中， 要求集成塊的基底材料導(dǎo)熱性能優(yōu)良。 ii) 彩電等多種電路中廣泛應(yīng)用的大功率管，其底部的有 機(jī)絕緣片，為了散熱而要求具有良好的熱導(dǎo)性。 請思考對于同等質(zhì)量的砂子和水，砂子的升降溫速度比水要快一些？如何衡量物體升降溫的快慢？什么是熱容？什么是熱容？熱容表示的是一個物體容納熱量的能力，即吸收熱能使之轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的能力。我們常用水位升高一定高度需要我們常用水位升高一定高度需要多少水表征瓶子的容量。多少水表征瓶子的容量。本章內(nèi)容熱容熱膨脹

3、熱傳導(dǎo)熱穩(wěn)定性第一節(jié) 材料的熱容 人們對熱的物理本質(zhì)的認(rèn)識 熱容、比熱容 晶態(tài)固體的熱容 熱容的影響因素 現(xiàn)代熱分析技術(shù)及其應(yīng)用無機(jī)材料無機(jī)材料金屬材料金屬材料1.人們對熱的物理本質(zhì)的認(rèn)識中國古代，金、木、水、火、土五行學(xué)說。西方18世紀(jì)以前，熱質(zhì)說，認(rèn)為熱是一種物質(zhì)。1798年，倫福德、戴維等發(fā)現(xiàn)摩擦生熱，徹底摧毀了熱質(zhì)說。19世紀(jì)，焦耳通過一系列實(shí)驗(yàn)證明了熱是同大量分子的無規(guī)則運(yùn)動相聯(lián)系的。提出能量守恒定律，即熱力學(xué)第一定律。1900年，普朗克解釋黑體輻射現(xiàn)象，提出熱量是量子化的。1912年，能斯特提出了熱力學(xué)第三定律，熱學(xué)理論完整地建立起來。支持者：培根、拉瓦錫、拉普拉斯等。熱力學(xué)四大定

4、律第一定律第一定律：能量守恒定律 第二定律第二定律：熵增加定律 第三定律第三定律：絕對溫標(biāo) 第零定律第零定律：熱平衡定律 邁爾、焦耳、亥姆霍茲克勞修斯、開爾文能斯特福勒第一類永動機(jī)不可能第一類永動機(jī)不可能第二類永動機(jī)不可能第二類永動機(jī)不可能12熱力學(xué)第零定律：1930年福勒等人提出熱力學(xué)第零定律示意圖內(nèi)容: 若兩個熱力學(xué)系統(tǒng)中的每一個都與第三個熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡(溫度相同)，則它們彼此也必定處于熱平衡。這一結(jié)論稱做“熱力學(xué)第零定律”。 意義: 熱力學(xué)第零定律的重要性在于它給出了 溫度的定義和溫度的測量方法。 熱究竟是什么？熱量傳遞的三種方式：熱傳導(dǎo)熱對流熱輻射熱本質(zhì)上是能量的一種形式，是由分

5、子的無規(guī)則運(yùn)動引起的。熱量傳遞的基本方式熱的本質(zhì)？熱是晶格（或組成材料的分子）振動的一種表現(xiàn)形式熱是晶格（或組成材料的分子）振動的一種表現(xiàn)形式。溫度的高低衡量了晶格振動的劇烈程度。qenii?1聲子就是指格波的能量量子，它的能量等于h。一個格波，也就是一種振動模，稱為一種聲子。晶格振動以彈性波（格波）的形式在材料內(nèi)傳播。當(dāng)溫度不太高時，原子的振動可看作“諧振子”。 能量為hn21en =（式中n = 0,1,2,）聲頻支、光頻支n 聲頻支：振動著的質(zhì)點(diǎn)中包含頻率低的格波，質(zhì)點(diǎn)彼此之 間的位相差不大?？梢钥闯上噜徳泳哂邢嗤恼駝臃较?。 n 光頻支：格波中頻率高的振動波，質(zhì)點(diǎn)間的位相差很大，鄰

6、近質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動幾乎相反，頻率往往在紅外光區(qū)。可以看成相 鄰原子具有相反的振動方向。 聲頻支聲頻支光頻支光頻支格波中的兩類：低頻波與高頻波。反映晶格原子的整體運(yùn)動反映晶格原子的整體運(yùn)動 反映晶格原子的相對運(yùn)動反映晶格原子的相對運(yùn)動 第一節(jié) 材料的熱容 人們對熱的物理本質(zhì)的認(rèn)識 熱容、比熱容 晶態(tài)固體的熱容 熱容的影響因素 現(xiàn)代熱分析技術(shù)及其應(yīng)用2. 熱容、比熱容vvvtutqc熱容：熱容：比熱容：比熱容：在沒有相變和化學(xué)反應(yīng)的條件下，材料溫度升高1 k時所吸收的熱量。定容熱容定壓熱容pppthtqc1 kg 物質(zhì)的熱容，它與物質(zhì)的本性有關(guān)。等壓比熱容等容比熱容在固體材料研究中，通常使用摩爾熱容。低

7、溫時，兩者相差不大；高溫時cp cv，為什么？第一節(jié) 材料的熱容 人們對熱的物理本質(zhì)的認(rèn)識 熱容、比熱容 晶態(tài)固體的熱容 熱容的影響因素 現(xiàn)代熱分析技術(shù)及其應(yīng)用3. 晶態(tài)固體的熱容 （晶格熱振動）晶格熱容（晶格熱振動）晶格熱容固體的熱容固體的熱容 （電子的熱運(yùn)動）電子熱容（電子的熱運(yùn)動）電子熱容元素?zé)崛荻啥怕?伯替定律u恒壓下元素的原子熱容為25 j/(molk)?；衔锒赡温?柯普定律u化合物分子熱容等于構(gòu)成此化合物各元素原子熱容之和。經(jīng)驗(yàn)定律晶態(tài)固體熱容的經(jīng)典理論經(jīng)典理論經(jīng)典理論或經(jīng)驗(yàn)定律在低溫階段完全不能適用，需用量子理論解釋。能量均分定理：kmoljkndtktndcaa/2533

8、 把每個原子當(dāng)作一個三維的獨(dú)立簡諧振子，把每個原子當(dāng)作一個三維的獨(dú)立簡諧振子，三個方向的振動能量完全相同。三個方向的振動能量完全相同。金屬銅的摩爾熱容-溫度曲線cv,mocut修正模式修正模式量子理論量子理論00nktnnktneenekteekt11ktee根據(jù)麥克斯韋-玻爾茲曼定律，一個振子的平均能量為：取前幾項(xiàng)，化簡得在高溫時，ktniniktieee31311niktktivvieektktec31221vc1 mol固體的平均能量為所以，固體的摩爾熱容為要想求得 ，必先知道iu 愛因斯坦模型u 德拜模型愛因斯坦模型假設(shè)：把晶體點(diǎn)陣上的每個原子都看做成獨(dú)立的振子，而且都以相同的角頻率振

9、動。13ktenektnkfeektntecektktv31322愛因斯坦比熱函數(shù)etetvc令 ，稱為愛因斯坦溫度。 當(dāng)高溫時， 當(dāng)?shù)蜏貢r， 當(dāng) 時，kt0ke也趨于零。rnktttnkceeev33111322teveetnkc23在該模型中，cv與溫度呈指數(shù)律變化，與實(shí)驗(yàn)得出的按 t3 變化規(guī)律仍有偏差。 德拜模型max11max108 . 4kdtnkfcddv3假設(shè)：晶格為連續(xù)介質(zhì)；晶體振動的長聲學(xué)波連續(xù)介質(zhì)的彈性波；在低溫頻率較低的格波對熱容有重要貢獻(xiàn)；縱橫彈性波的波速相等。為徳拜特征溫度，反應(yīng)原子間結(jié)合力的大小。txxdddddxexettf02413于是，假定其中，為徳拜比熱函

10、數(shù)如何得到德拜溫度？通過熔點(diǎn)通過熱容通過金屬中彈性波傳播速度avm3/2137amdmvtmt熔點(diǎn)相對原子質(zhì)量原子體積德拜溫度34512dvtrcrnkcv333tcv 當(dāng)高溫時， 當(dāng)?shù)蜏貢r， 當(dāng) 時，dtdtkt0cvto，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。0vc德拜理論在溫度越低的條件下，符合越好。實(shí)際材料的熱容無機(jī)材料（陶瓷）的熱容金屬材料的熱容 主要區(qū)別在于金屬內(nèi)部有大量的自由電子，而在無機(jī)材料中，電子對熱容的貢獻(xiàn)基本上可以忽略不計(jì)。tbtcccevhvv3第一節(jié) 材料的熱容 人們對熱的物理本質(zhì)的認(rèn)識 熱容、比熱容 晶態(tài)固體的熱容 熱容的影響因素 現(xiàn)代熱分析技術(shù)及其應(yīng)用無機(jī)材料的熱容高于 時，趨于常數(shù)；

11、低于 時，與 成正比；與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系不大；相變時，熱容出現(xiàn)了突變；單位體積的熱容與氣孔率有關(guān)。dd3t2ctbtacp金屬材料的熱容 自由電子對熱容的貢獻(xiàn) 合金成分對熱容的影響 相變時的熱容變化自由電子的貢獻(xiàn)ttcccevlvv3u 常溫下，自由電子熱容微不足道u 高溫和低溫時，電子熱容不能夠忽略點(diǎn)陣振動熱容自由電子熱容合金成分的影響合金的熱容是每個組成元素?zé)崛菖c其質(zhì)量百分比的乘積之和。niiinncxcxcxcxc12211.適用于金屬化合物、金屬與非金屬的化合物，但對鐵磁合金不適用。相變的熱容變化u 熔化和凝固u 一級相變和二級相變u 亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變金屬熔化時熱焓與溫度的關(guān)系q0ttmlsq s液態(tài)金屬的熱容比固態(tài)的大。tqqqtttt0000tq一級相變二級相變tctc 一級相變有潛熱，熱容有突變； 二級相變無潛熱，熱容無突變。第一節(jié) 材料的熱容 人們對熱的物理本質(zhì)的認(rèn)識 熱容、比熱容 晶態(tài)固體的熱容 熱容的影響因素 現(xiàn)代熱分析技術(shù)及其應(yīng)用4. 現(xiàn)代熱分析技術(shù)及其應(yīng)用熱重分析（tg）差熱分析（dta）示差熱分析（dsc）熱機(jī)械分析（tma）定義：在程序控溫下測量物質(zhì)的物理性質(zhì)與溫度